APP下载

坡体形状对边坡稳定性影响研究

2021-02-01李佳舒陆振裕

水利科技与经济 2021年1期
关键词:坡坡分析模型安全系数

张 勇,李佳舒,陆振裕

(1.江苏省地质矿产局 第三地质大队,江苏 镇江 212001;2.江苏地质基桩工程公司,江苏 镇江 212001)

1 概 述

边坡结构是一种广泛分布的地质体,在世界各地均有大范围的分布。在地震、强降雨、人工扰动等因素的影响下,边坡结构容易出现失稳破坏,即产生滑坡灾害。滑坡是一种常见的边坡破坏模式,具有破坏性大、多发性强等特征。除此之外,边坡破坏还容易引发堰塞湖、泥石流等次生灾害,这使得其破坏影响的广度和深度再次加大。1960年,意大利某水库发生滑坡事故,造成2 000多人丧生,大面积的房屋被毁;1999年,特大暴雨降临墨西哥,造成大面积的山体滑坡,造成约600人的死亡和失踪,20多万人无家可归;1967年,四川唐山某边坡滑坡,使得雅江堵塞9天,产生了严重的堰塞湖;2008年,汶川地震[1-2],导致多处山体滑坡,道路被毁,河流被堵,给人民的生命健康和财产造成了严重的影响。

频发的滑坡灾害,巨大的损失,使得科研人员对边坡稳定性的评估更加重视。靳飞飞等[3]基于实际的边坡工程,利用FlAC3D(有限差分软件)对多级高边坡稳定性进行了分析,研究地震荷载作用下的坡体位移、加速度和应力的响应规律,并对边坡的失稳机理进行讨论。何倩等[4]基于某岩质边坡工程,采用PFC2D(离散元)软件对边坡破坏时的运动过程及对应的破坏机理进行分析。结果表明,边坡破坏首先是从边坡中部的破碎岩土层中开始的,在滑体重力的作用下,坡脚处的岩土体开始滑动,而后坡顶逐渐开裂,最终导致边坡的整体失稳破坏,分析结果很好地还原了边坡真实的破坏特征。杨正玉等[5]基于实际工程,采用有限元强度折减法对包含双滑动带的边坡稳定性进行了研究,通过调整抗滑桩的设计位置,提出了双滑动带边坡支护的最优方案。何毅等[6]针对坡顶含有裂隙的土质边坡稳定性进行了分析,结果表明,坡顶倾角角度越大,边坡的稳定性下降幅值越大,同时边坡临界裂隙的深度也会逐渐增大。因此,有必要结合边坡结构本身的特点,对其稳定性进行研究。

近年来,随着计算机技术的发展和边坡稳定性计算理论的进步,很多先进的分析方法被用来分析边坡稳定性。Midas GTS-NX是一款基于有限单元法的边坡稳定性分析软件,可以通过强度折减法对边坡稳定性进行计算,可以获得具体的边坡稳定性计算数值,具有建模方式简单、计算速度快等优势[5]。FLAC3D是一款有限差分的数值分析软件,也可以通过强度折减法对边坡稳定性进行计算,具有收敛性好、模型构建方便等优势[3]。极限分析是一款基于极限理论的分析方法,通过求解边坡安全系数的上限解和下限解来评估边坡的稳定性,可以获得较为准确的边坡滑动带[1]。颗粒流软件也可以用来分析边坡稳定性,将边坡模型简化为离散的颗粒组合而成的结构面,其计算结果较为科学,但其占用的计算资源较为庞大。综上所述,本文采用有限单元强度折减法对边坡稳定性进行研究。

本文以句容市某边坡支护工程为背景,结合坡面的几何特征,采用强度折减法研究坡面几何形状对边坡稳定性的影响,其计算结果可为类似边坡工程提供参考。

2 工程背景

该边坡位于镇江市句容市,其地貌单元为岗地地貌单元。在连续降雨的影响下,边坡坡体出现多处裂缝,部分区域出现局部滑坡现象(图1)。已滑落的坡体长度和宽度分别为60和20 m,滑体体量31 100 m3[5]。

图1 坡体滑坡现场图

参考边坡的几何形状,建立边坡模型见图2。边坡坡体宽度为80 m,高度为20 m。为了消除有限元分析过程中的边界效应,对边坡模型的结合尺寸进行一定的扩展。模型的底部向下扩展40 m,坡脚处坡体水平扩展30 m,坡顶处水平扩展40 m。

图2 边坡模型

3 模型构建

3.1 分析模型

在边坡的实际勘察过程中发现,边坡坡体在几何形状上存在明显的差异。因此,结合边坡的多种几何形状,构建了对应的边坡数值分析模型。可以发现,边坡坡面存在明显的坡上位置和坡下位置,且其分割点为边坡坡面的中点。按照边坡坡面的结合特征,坡面存在外凸、平直和内凹3种典型的形式,因此建立了对应的9种边坡分析模型,分别为:坡下外凸-坡上外凸、坡下外凸-坡上平直、坡下外凸-坡上内凹、坡下平直-坡上外凸、坡下平直-坡上平直、坡下平直-坡上内凹、坡下内凹-坡上外凸、坡下内凹-坡上平直、坡下内凹-坡上内凹。

3.2 模型参数及边界条件

依据地质勘察报告中的边坡土体强度,考虑到数值分析模型的简洁性,边坡采用均质土构建,土体的黏聚力为9 kPa,内摩擦角为12°,重度为19 kN/m3。为了保证有限元的收敛,在分析模型的底部设置固定端约束,即约束水平方向和竖直方向的位移;在分析模型的左右两侧设置水平约束,即约束水平方向的位移。

3.3 网格划分及计算原理

在数值分析模型中,网格划分质量的好坏对边坡稳定性的分析结果具有重要的影响,因此需要对网格尺寸进行设置。本文基于剪切耗散能,采用自适应网格划分的方式对边坡网格进行划分。在网格划分过程中,首先对边坡中的网格进行一次划分,然后依据剪切耗散能的大小对部分网格区域进行二次划分,即自适应。这样既可以保证网格划分的质量,同时又控制了网格划分的数量,达到提高边坡稳定性分析效果的目的。在本文中,初始的网格设置为6 000单元,自适应网格划分次数为3次, 每次1 000网格。网格划分的效果见图3。

图3 网格划分效果图

在数值分析模型中,网格划分质量主要是对分析精度产生影响,而分析方法直接影响边坡稳定性的分析结果。强度折减法是一种典型的边坡稳定性分析方法,不仅可以直观地量化边坡的安全系数,同时可以反映边坡的剪切带发展模型,对于边坡稳定性分析具有重要意义。在分析过程中,通过对边坡中土体强度(黏聚力、内摩擦角)的不断折减,结合模型的收敛特性,来判断边坡的安全系数。

边坡收敛性判断主要包括3个方面:①边坡数值分析模型是否收敛;②边坡剪切带是否贯通;③边坡是否达到人为设置的其他收敛条件。当判断边坡收敛后,土体强度的折减系数就是边坡的安全系数。

4 结果与讨论

边坡稳定性分析结果见图4。

由图4可知,不同边坡坡面几何形状下,边坡的安全系数和对应的破坏模式均不相同。对于“坡下外凸-坡上外凸”(图4a)的破坏模式,边坡的安全系数为0.940,可以发现边坡的剪切带沿着坡下进行发展,使得边坡发生局部滑坡;对于“坡下外凸-坡上平直凸”(图4b)的破坏模式,边坡的安全系数为0.940,可以发现边坡的剪切带沿着坡下进行发展,使得边坡发生局部滑坡,这与“坡下外凸-坡上外凸”的边坡破坏模式相同;对于“坡下外凸-坡上内凹”(图4c)的破坏模式,边坡的安全系数为0.939,可以发现边坡的剪切带沿着坡上进行发展,使得边坡发生局部滑坡;对于“坡下平直-坡上外凸”(图4d)的破坏模式,边坡的安全系数为0.925,可以发现边坡的剪切带沿着坡上进行发展,使得边坡发生局部滑坡;对于“坡下平直-坡上平直”(图4e)的破坏模式,边坡的安全系数为1.232,可以发现边坡的剪切带沿着边坡整体发展,边坡形成整体滑坡;对于“坡下平直-坡上内凹”(图4f)的破坏模式,边坡的安全系数为0.940,可以发现边坡的剪切带沿着坡上进行发展,使得边坡发生局部滑坡;对于“坡下内凹-坡上外凸”(图4g)的破坏模式,边坡的安全系数为0.728,可以发现边坡的剪切带沿着边坡整体发展,边坡形成整体滑坡;对于“坡下内凹-坡上平直”(图4h)的破坏模式,边坡的安全系数为0.911,可以发现边坡的剪切带沿着坡下进行发展,使得边坡发生局部滑坡;对于“坡下内凹-坡上内凹”(图4i)的破坏模式,边坡的安全系数为0.940,可以发现边坡的剪切带沿着坡上进行发展,使得边坡发生局部滑坡。

通过边坡剪切带发展位置与边坡稳定性之间的关系可以发现,整体滑坡时,边坡的安全系数最高;“坡下内凹-坡上外凸”时,边坡的安全系数最低。

图4 边坡稳定性分析结果

5 结 论

结合镇江市句容市某边坡支护工程,研究了坡面几何形状对边坡稳定性的影响,具体结论如下:

1) 采用强度折减法分析边坡稳定性,不仅可以获得边坡的安全系数,同时可以获得边坡的剪切破坏面位置。

2) 对比不同的坡面形状发现,“坡下内凹-坡上外凸”时,边坡的安全系数最低;“坡下平直-坡上平直”时,边坡的安全系数最高。

3) 通过边坡剪切带发展位置与边坡稳定性之间的关系可以发现,整体滑坡时,边坡的安全系数一般是高于局部滑坡时的边坡安全系数。

猜你喜欢

坡坡分析模型安全系数
基于BERT-VGG16的多模态情感分析模型
考虑材料性能分散性的航空发动机结构安全系数确定方法
不同因素对填筑路堤边坡稳定性影响分析
虚惊一场
全启发式语言分析模型
关于电梯悬挂钢丝绳安全系数计算的一些探讨
打老婆等
基于Lagrange方法的直升机地面共振分析模型
接近物体感测库显著提升安全系数
大功率型EPS控制器热分析模型的研究